Методы и средства рециркуляционного преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог Абрамов, Геннадий Николаевич

Введение к работе

і

Актуальность проблемы. Разработка высокоточных и в тоже время простых по аппаратурной реализации методов и средств преобразования апмлитудно-времеиных, амплитудных и временных параметров моноимпульсных электрических сигналов (МИЭС) является актуальной научной проблемой и имеет большое научное и практическое значение. С подобными преобразованиями приходится сталкиваться при решении многих задач экспериментальной физики, создании ЭВМ на бионических принципах с динамическим представлением информации, оперативном исследовании и контроле динамических параметров элементов и узлов радиоэлектронных устройств, оптической дальнометрии, исследовании различных устройств однократного действия. Широкое распространение получили методы исследования прочности и надежности материалов и конструкций с помощью одиночных механических, тепловых, ионизирующих и других воздействий.

Особенность преобразования амплитудно-временных, амплитудных и временных параметров МИЭС состоит в том, что энергия необходимая для преобразования импульса, поступает в преобразователь лишь в течении времени существования импульса. Поэтому для преобразования параметров МИЭС необходимо, чтобы преобразователь либо регистрировал параметры импульса в течении времени его действия, либо запасал в течении этого же времени энергию, характеризующую параметры импульса, с целью дальнейшего ее преобразования. Момент прихода сигнала на вход может быть также не известен, поэтому важна постоянная готовность преобразователя к работе. Это требование особенно серьезно в тех случаях, когда повторение эксперимента или исследования исключено или его воспроизведение требует больших материальных затрат и времени. Сложность преобразования параметров МИЭС увеличивается по мере уменьшения длительности преобразуемых импульсов до субнаносекундного диапазона.

Определенны? перспективы в этом направлении открывает рециркуляционный метод построения аналоговых, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей МИЭС, быстро развивающийся с середины 80-х годов. Большой вклад в развитие рециркуляционного метода преобразования аналог-код внесли такие ученые и руководимые ими коллективы как М.М. Гельман, Т.М.Демьянчук, СВ. Денбновецкий, Н.Р. Карпов, Л.А. Моругин, Е.А. Мелешко, А.Г. Рыжевский, Р.-В.П.Поцюс. Из зарубежных ученых наиболее близкими по тематике являются публикации Р.Э.Лоутона, Н.С.Номана, С.М.Риада, Дж.Р.Эндрюс. Однако имеющиеся рубликации на момент исследования носили разрозненный и в основном писательный характер. В связи с этим существовала необходимость систематизации, известных и разработки новых методов и средств рецирку-яционного преобразования аналог-аналог, аналог-код, код-аналог, опре-;елить предельно-достижимые технические характеристики, отсутствие

знаний о которых сдерживало применение принципа рециркуляции в задачах аналогового, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, несмотря на простоту его аппаратурной реализации.

В связи с изложенным комплексная разработка и исследование теоретических и практических основ построения рециркуляционных преобразователей аналог-аналог, аналог-код и код-аналог является актуальной научной проблемой и имеет научное и практическое значение.

Целью работы является разработка и исследование теоретических и схемотехнических основ построения нового класса преобразователей аналог-аналог, аналог-код и код-аналог рециркуляционного типа, имеющих повышенное время запоминания, точность и быстродействие при небольшом объеме аппаратурных затрат и пригодных для работы в наносекунд-ном диапазоне длительностей моноимпульсных электрических сигналов.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ состояния теории и практики рециркуляционного преобразования амплитудно-временных, амплитудных и временных параметров наносекундных МИЭС в код и код-время.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование схемотехнических особенностей построения рециркуляционных средств преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог.

.2 Теоретическое и экспериментальное исследование динамических свойств, статистической погрешности и времени запоминания рециркуляционного метода преобразования аналог-аналог амплитудно-временных параметров и их применение в кратко- и долговременных динамических запоминающих устройствах (ДЗУ).

4. Теоретическое и экспериментальное исследование статических погрешностей и быстродействия рециркуляционного метода преобразования аналог-код амплитудных и временных параметров МИЭС. Развитие на этой основе наиболее перспективные структуры преобразования, разработка способов уменьшения погрешности и повышения быстродействия преобразования.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование статических погрешностей и быстродействия рециркуляционного метода преобразования код-время. Разработка новых методов и средств повышения его точности и быстродействия преобразования.

Новые научные результаты и положения, выносимые на зашиту заключаются в разработке и исследовании теоретических основ построения рециркуляционных методов преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог и состоят в следующем:

1. Впервые поставлена и решена задача анализа процесса рециркуляции в преобразовательных структурах аналог-аналог, аналог-код и код-

аналог позволившая создании, рециркуляционные преобразователи (I'll) с заданными техническими характеристиками.

2. Разработана математическая модель процессов .происходящих и
амплитудных рециркуляторах при рециркуляционном методе преобразо
вания аналог-аналог и аналог-код с аналоговым представлении запоми
наемого сигнала ч каждой из рециркуляции.

3. Разработана математическая модель процессов, происходящих при рециркуляционном методе преобразования аналог-аналог с цифровым широтно-импульсным представлением запоминаемого сигнала в каждой из рециркуляции, позволившая повысить время запоминания.

4. Получены аналитические зависимости для расчета результирующей погрешности преобразования рециркуляционного метода преобразования аналог-англог и аналог-код, показывающие доминирующую роль составляющей погрешности обусловленной конечным значением коэффициента передачи амплитудного рециркулятора (АР).

5. Сравнительный анализ точности РП аналог-код амплитудных параметров с различным характером рециркуляции показал, что наиболее перспективными по точности преобразования являются РП с регрессирующим характером рециркуляции. Аналитически и экспериментально исследован способ устранения в них составляющей погрешности, обусловленной коэффициентом передачи амплитудного рециркулятора.

6. Математические модели рециркуляционного метода преобразования аналог-код и код-аналог временных параметров МИЭС, устанавливают его предельные возможности по точности, быстродействию и объему аппаратурных затрат. Теоретически и экспериментально исследованы аппаратурные и структурные Способы повышения быстродействия (параллельный, с переменным периодом рециркуляции, комбинированный, многоступенчатый) и точности рециркуляционного метода преобразования (РМП) время-код и код-время.

7. Обнаружены общие закономерности протекания рециркуляционных процессов в ?П амплитудных и временных параметров моноимпульсных сигналов, позволяющие осуществлять взаимооднозначные формализованные преобразования структур и функциональных узлов РП амплитудных параметров в структуры и функциональные узлы РП временных параметров при соблюдении определенных в работе дуальных соответствий. Свойство дуальности (двойственность) позволяет синтезировать амплитудные и временные преобразовательные структуры рециркуляционного типа, с целью последующего выбора оптимального схемного решения.

8. На основі принципа рециркуляции созданы кодоуправляемые источники временной задержки цифровых импульсных последовательностей (ЦИП); генераторы (одинарных и парных) ЦИП с кодоуправляемым периодом колебаний; кодоуправляемые одновибраторы и генераторы пачки ЦИП. ^л

Достоверность математических моделей и теоретических расчетов обосновывается их соответствием экспериментальным результатам.

Практическая 'значимость выполненных исследований заключается в создании схемотехнической основы разработки нового класса преобразователен аналог-аналог, аналог-код, код-аналог рециркуляционного типа, а именно:

1. Предложен и исследован ряд защищенных авторскими свидетельствам!! РП аналог-аналог [47, 49, 50, 53, 60]. Получены пригодные для инженерного расчета зависимости, характеризующие процесс динамического запоминания ММЭС; определены погрешности и время запоминания [3.65]. Результаты исследования внедрены в п/я Р-6510.

2. Предложены и исследованы защищенные авторскими свиде-н'ч!,<[вамп РП паиряжеппс-код с регрессирующим характером рециркуляции, позволяющие при ограниченном числе рециркуляции получать необходимый цифровой результат преобразования [6-15, 18, 45]. Полученные результаты используются в п/я Р-6510.

3. Предложены и исследованы по точности, быстродействию, объему
аппаратурных затрат ряд защищенных авторскими свидетельствами про
стых рециркуляционных преобразователей время-код РПВК ( параллель
ных, с переменным периодом рециркуляции, комбинированных) с регрес
сирующим характером рециркуляции [22, 23, 42]. Показано, что результи
рующая погрешность простых и многоступенчатых РПВК, состоит из трех
составляющих: аддитивной, мультипликативной и методической погреш
ности. Предложен п исследован способ компенсации аддитивной состав
ляющей результирующей погрешности простых РПВК и их разновидно
стей [1].

Три разновидности РПВК внедрены в опытное производство в 1'ІКФ "Инки" в комплекте оборудования для ультразвукового распыления топлива и двигателях внутреннего сгорания.

4. Предложены и исследованы ряд защищенных авторскими свиде
тельствами многоступенчатых (многокаскадные и многотактные) РПВК
[24,54,59,63]. Выявлено: погрешность многоступенчатых РПВК при раз
личных соотношениях между его дискретностью преобразования той и раз
решающей способностью toph имеет тоже значение, что и простые РПВК;
способы повышения быстродействия простых РПВК регрессирующего ти
па не KOHKypeiiTHocnococjiib! с многоступенчатым способом построения
РПВК. Получены аналитические зависимости, позволяющие обеспечивать
в многоступенчатых РПВК (МРПВК) минимальное время преобразования

При ДВУХ ПОЛЯрНЫХ СЛуЧаЯХ ДИСКреТНОСТИ Преобразования TOh > toph И TOmin < Тої, ^ toph-

5. Предложены и исследованы способы компенсации систематической погрешности: уменьшения мультипликативной составляющей и компенсации аддитивной составляющей результирующей погрешности МРПВК [I]. Многокаскадные РПВК внедрены в АО "Тольяттистрой" в устанс/пках неразрушающего контроля строительных конструкций.

6. Предложены и исследованы по точности и быстродействию три варианта защищенных авторским свидетельством простых РП код-время (Р11КВ) с прогрессирующим характером рециркуляции [48]. Разработан

способ повышения их быстродействия в два раза за счет переменного периода рециркуляции [56].

Результаты исследований внедряются в АОЗТ "Компасе" в составе оборудования по тестированию компьютеров на предмет выявления их неисправностей.

7. Предложен и исследован ряд защищенных авторскими свиде
тельствами ступенчатых (двухкаскадных и комбинированных) РПКВ
[52,58,62]. Показ&ны их преимущества по точности и быстродействию по
сравнению с простыми РПКВ. Разработан способ дальнейшего повышения
быстродействия (не более чем в два раза) ступенчатых РПКВ при сохране
нии неизменной точности преобразования [1 ].

Указанные ступенчатые РПКВ внедрены в НАО " Поволжское" в составе оборудования электронного дозирования при смешивании ингредиентов комбикормов и в кормораздатчиках.

8. Разработан способ устранения аддитивной составляющей резуль
тирующей погрешности простых и ступенчатых РПКВ [1]. Результаты ис
следования результирующей инструментальной погрешности РПВК и
РПКВ апробированы в НАО " Поволжское".

Следующие результаты научных исследований методов и средств рециркуляционного преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог внедрены в опытно-промышленном производстве АО "АвтоВАЗ" в составе нестандартного измерительного оборудования для входного контроля динамических параметров элементов и узлов радиоэлектронных устройств в установках неразрушающего контроля прочности и надежности материалов и конструкций, используемых в автомобилях, что в целом повышает качество готовой продукции:

1. Разработка и анализ математических моделей процессов, происходящих в амплитудных рециркуляторах с простым и регрессирующим характером рециркуляции в динамических запоминающих устройств (ДЗУ) и рециркуляционных преобразователей (РП) напряжение-код;

2. Разработка и анализ математических моделей процессов, происходящих во временных рециркуляторах РП время-код и код-время с простой и ступенчатой организацией процесса рециркуляции;

3. Анализ конкретных структур РП аналог-аналог (ДЗУ), РП гналог-код (напряжение, время), РП код-время по точности, быстродействию и объему аппаратурных затрат. Выявление на этой основе наиболее перспективных преобразовательных структур;

4. Предложения по повышению точности РП аналог-аналог, аналог-код и код-аналог за счет уменьшения частных составляющих их результирующей погрешности;

5. Разработка кодоуправляемых источников образцовой временной задержки и рециркуляционных преобразователей код-задержка цифровых импульсных сигналов наносекундного диапазона длительностей.

Результаты исследований широко используются в учебном процессе Поволжского технологического института сервиса по дисциплинам "Импульсные и цифровые устройства", "Метрология и радиоизмерения",

"Устройства генерирования и формирования сигналов", а также в виде методических разработок по дипломному проектированию и учебно-исследовательской работе студентов на кафедре " Радиотехника".

Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей" (г. Ульяновск, 1978 г.); на научно-технической конференции "Методы и устройства повышения качества приборов, систем и аппаратов" (г. Ульяновск, 1979 г.); на 3-й Всесоюзной конференции "Ультразвук в физиологии и медицине" (г. Ташкент, 1980 г.); на Республиканской конференции "Вопросы теории и проектирования преобразователей информации" (г. Киев, 1981 г.); на Второй Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей" (г. Пенза, 1981 г.); на 5-м Всесоюзном симпозиуме "Нано- и пикосекундная импульсная техника и ее применение в радіюизмерениях" ( г. Горький, 1983 г.); на Республиканской конференции "Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи" (г.Таллин, 1983 г.); на 5-ой Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации" (г.Суздаль, 1984 г.); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского политехнического института в 1981-1984 годах; на областной научно-технической конференции " Про-блемьг разработки средств диагностики и контроля РЭА" (г.Самара, 1987 г.); на'Всесоюзной научно-практической конференции "Новые формы хозяйствования" ( г. Тольятти, 1990 г.); на Республиканской научно-технической конференции "Теория и проектирование электронных вольтметров и средств их поверки" ( г. Таллин, 1990 г.); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Поволжского технологического института сервиса в 1986-1996 годах; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Государственной академии сферы быта и услуг в 1989-1994 годах (г.Москва); на Международном симпозиуме " Технология-2000" ( г.г. Самара, Тольятти, 1995 г.).

Публикации. Результаты научных исследований опубликованы в 65 научных работах, включая 1 монографию и 29 авторских свидетельств на изобретения, в 11 научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, которые проводились под руководством и при непосредственном участии автора в соответствии с перечнем ГКНТ СМ СССР важнейших научно-технических проблем, раздел "Целевые комплексные научно-технические программы по отраслям народного хозяйства", п. 40 - создание и производство приборов, измерительно-вычислительных комплексов

и систем для научных исследований; координационным планом АН СССР по проблеме "Измерительные процессы и системы" (п. 1.12.8.; п. 1.13.1) на 1986+1990 г.г. и в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных НИР Ульяновского политехнического института и Поволжского технологического института сервиса.

Личный вклад автора. Все основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации получены автором впервые и лично. Монография написана автором единолично. В работах, выполненных в соавторстве, автор является инициатором (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения), разрабатывал методики исследования, проводил теоретические расчеты, участвовал в изготовлении образцов и их исследовании, осуществлял обработку, анализ и обобщения полученных результатов. Автором лично опубликовано 34 научных работы, в том числе получено 16 авторских свидетельств на изобретения. В авторских свиде-.тельствах, выполненных в соавторстве, вклад всех соавторов, равноценен. Все работы по внедрению и практическому использованию результатов научных исследований проведены под руководством и личном участии автора.

I. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГ - АНАЛОГ, АНАЛОГ - КОД И КОД - АНАЛОГ НА НАЧАЛО ИССЛЕДОВАНИЙ.

Все возрастающий интерес к преобразованию моноимпульсных электрических сигналов объясняется не только их широким использованием в различных областях науки и техники, но и значительными возможностями, которые открывают методы одноразовых преобразований для повышения быстродействия обработки больших и разнообразных массивов информации. Специфика преобразования параметров МИЭС заключается в сложности преобразования по мере уменьшения их длительности до.субианосе-кундного диапазона и объясняется возрастанием требований к быстродействию, широкополосности и линейности преобразовательных устройств [2,3]. В последние годы в отечественной и зарубежной литературе значительно увеличилось количество публикаций, посвященных рециркуляционным методам 1-і средствам преобразования параметров МИЭС, однако эти публикации косят разрозненный и в основном описательный характер. Отсутствие классификации методов и средств рециркуляционного преобразования, их сравнительный анализ затрудняет решение задачи по выбору и синтезу структуры преобразователя, исходя из конкретных требований.

В качестве классификационного признака автором принят характер рециркуляции, исходя из которого установлено, что процесс рециркуляции

в РП аналог-аналог, аналог-код и код-аналог может носить простой, регрессирующий и прогрессирующий характер. При этом простой рециркуляционный процесс положен в основу преобразования аналог-аналог амплитудно-временных параметров и аналог-код амплитудных параметров; регрессирующий - преобразования аналог-код амплитудных и временных параметров; прогрессирующий - преобразования код-аналог и аналог-код временных параметров моноимпульсных электрических сигналов [3,65].

Анализ основных физических принципов работы, характеристик и параметров рециркуляционных методов и средств преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог указывает на их высокую перспективность: предельно достижимое значение дискретности преобразования достигает, с учетом современного уровня цифровых интегральных схем (ЦИС), значения в десятки пикосекунд; полностью (за исключением простых РП аналог-аналог) выполняются на ЦИС без применения устройств аналоговой техники, что существенно уменьшает временные затраты на настройку преобразователей и увеличивает их надежность; дискретности преобразования менее 1 нсек обеспечивается выбором геометрической длины кабеля задержки, что не вызывает дополнительных аппаратурных затрат. Вместе с тем отсутствие детальных теоретических и практических исследований рециркуляционных методов и средств преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог сдерживает их внедрение в практику аналогового, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Так исследования динамических свойств РМП аналог-аналог с аналоговым представлением сигнала не были направлены на увеличение точности преобразования, а в известных на начало исследований РП аналог-аналог с цифровым широтно-импульсным представлением сигнала задача построения технологической модели, теоретического анализа ее динамических свойств вообще не ставилась.

Анализ основных параметров РП аналог-код амплитудных параметров (напряжение-код) с простым и регрессирующим характером рециркуляции свидетельствует об отсутствии их сравнительного анализа, что ведет к необоснованному развитию РП с простым характером рециркуляции, в то время как РП с регрессирующим характером рециркуляции более перспективны по точности преобразования. Вместе с тем для расширения динамического диапазона РП напряжение-код при условии сохранения неизменным времени преобразования, наиболее перспективно комбинирование рециркуляционного метода с методом прямого отсчета [14,16-18]. На начало исследований практически отсутствовали сведения о возможности компенсации частной составляющей результирующей погрешности, обусловленной конечным значением коэффициента передачи амплитудного рецир-кулято'ра РП напряжение-код с регрессирующим характером рециркуляции.

Особое значение имеют исследования, направленные на разработку рециркуляционного метода преобразования аналог-код временных параметров МИЭС (РП время-код) имеющего жесткую привязку начальной фазы рециркуляции к началу преобразуемого ВИ, что исключает состав-

ляющую погрешности из-за несинхронизации, присущую другим методам преобразования. Вместе с тем задачи исследования в направлении повышения его быстродействия за счет аппаратурных и структурных способов и повышения точности преобразования путем устранения частных составляющих результирующей погрешности на начало работы вообще ие ставились. Анализ способов расширения временного диапазона преобразования РП время-код без увеличения их времени преобразования указывает на перспективность сочетания рециркуляционного метода с методом последовательного счета и с методом задержанных совпадений [23].

Оценка рециркуляционного метода преобразования код-время, практически не известного и не исследованного по точности, быстродействию, схемотехнике построения на начало работы, показывает его важнейшее достоинство * обеспечение точной временном привязки к сигналу, относительно которого выдается результат преобразоваиня. В результате изучения физических процессов в РП время-код и код-время установлена их адекватность, что позволяет использовать аппаратурные и структурные способы повышения быстродействия и точности РП время-код и в РП код-время.

На начало исследований не были определены и исследованы мультипликативные и аддитивные составляющие результирующей инструментальной погрешности РП аналог-аналог, аналог-код и код-аналог возникающие из-за нестабильности характеристик отдельных элементов, вызываемых изменением напряжения питания, температуры, влажности, давления в среде, окружающей преобразователи.

Анализ процессов, происходящих в РП аналог-код амплитудных и временных параметров МИЭС выявил, что они основаны на принципе регрессии. Это единство позволяет осуществлять взаимооднозначные формализованные преобразования структур временных параметров в преобразовательные структуры амплитудных параметров ( и обратно) при выполнении следующих дуальных соответствии: вычитающий элемент - схема совпадения (логический элемент И); источник образцового напряжения - источник образцового ВИ; суммирующий элемент - схема объединения (логический элемент ИЛИ); цифровой регистратор амплитудных значений цифровой регистратор значений ВИ. Свойство дуальности (двойственности) позволяет синтезировать амплитудные и временные преобразовательные структуры рециркуляционного типа с целью последующего выбора оптимального схемного решения (по точности, быстродействию, объему аппаратурных затрат).

Особую значимость имеют вопросы анализа предельно достижимого значения дискретности преобразования; определения условия выбора мер длины кабелей задержки в РП аналог-код (время-код) и код-аналог (код-время). Эти вопросы на начало исследования в известных литературных источниках вообще не ставились.

И. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГ-АНАЛОГ

В основу рециркуляционных методов и средств преобразования аналог-аналог амплитудно-временных параметров МИЭС положен простой характер рециркуляции в замкнутом контуре с задержанной обратной связью, импульсного сигнала Ux(t«), причем необходимо, чтобы t>< t_P, где і,.- период рециркуляции [2,3,65]

^с 4/4)-1-+ БЗ —'

Ux(bc) I ' '

Рис. 1

Такой РП реализует функцию аналоговой динамической памяти и представляет собой простои амплитудный рсциркулятор, в дальнейшем простои РП аналог-аналог (Рис. 1), позволяющий запоминать входной сигнал IK(Ij) на время, определяемое коэффициентом передачи к блока задержки БЗ с временем задержки t_P, его полосой пропускания и определяется как b=nt_P. ,В общем случае число рециркуляции.п определяется .из уело-' вия k"Ux_m>Um (Uin-уровснь шумов простого амплитудного рециркулято-ра).

Блок задержки можно представить выполненным в виде последовательной цени, состоящей из униполярного элемента (УЭ) с коэффициентом передачи К, фильтра нижних частот Ф и линии задержки ЛЗ и предполагая УЭ п ЛЗ идеальными, а исндсальиость БЗ отобразить фильтром нижних частот Ф. Тогда процессы, происходящие в простом РП аналог-аналог, можно описать интегральным уравнением Вольтерра 2-го рода [2].

. t-ц,
или - ip) + k jH(t - t_P- 9) U/(0) d9 = Ux(t»), (1)

(H(t) - импульсная характеристика фильтра). Полагая Ux(U) = 5(tx) из решения интегрального уравнения (1) определена импульсная характери-

стика простого РП аналог-аналог H_c(t) = X k' Hi(t - it,,).

і -u При подаче па вход моноимпульсного сигнала 1Л(Ь) в простом РП аналог-аналог возникает рециркуляционный процесс и на его выходе вырабатывается квазниоследоватслыгасть импульсов

II І

U_x*(tx - t_P) = І к" U„(tx - ntp), где U„(t) = [H_n(t - Є) Ux(9) dG, импульс n раз

прошедший по амплитудному рециркулятору. Для определения динамических свойств и погрешности простого РП аналог-аналог выведена его переходная характеристика (ПХ)

A(t) = i>A_n(t-nt_P), ' (Г)

t ⁱ⁼⁰

здесь A_n(t) = lH_n(t-8)d9, ПХ п последовательно соединенных фильтров.

о Из выражения (Г) при A„(t)=l(t) выведена ПХ идеализированного простого РП аналог-аналог

Au(t)=l(t) + Ek"l(t-ntp), (2)

і=і

Полагая, что фильтр Ф представляет собой однозвенный фильтр нижних частот с постоянной времени т, равной длительности фронта импульса на выходе реальной линии задержки, реальная ПХ простого РП аналог-аналог имеет вид:

A_P(t)= l(t) + ZkⁿD-e<'-»'>'^T>];([(t-nt_P)/TP)/ к!, (3)

где A_n(t) = 1 - е '^/Т 2 (t - х )^к I к! переходная характеристика п по-

следовательно соединенных однозвенных фильтров нижних частот.

Анализ выражений (2) и (3) при различных значениях добротности линии задержки (добротность простых РП аналог-аналог) Q = t_P / т показал, что простой РП аналог-аналог является искажающей системой, поэтому его ПХ в первые моменты (при п<10 и Q>40) имеющая вид ступенчатой функции, постепенно превращаются в квазигармоническое колебание. С учетом сказанного, время запоминания рециркуляционных ДЗУ не превышает десятка периодов рециркуляции. Следовательно, построение на основе простых РП аналог-аналог долговременных динамических запоминающих устройств не представляется возможным [3,64,65].

Результирующая относительная погрешность запоминания простых РП аналог-аналог описывается выражением у_р = 1 - М(п) Ф(п) (4), где М(п) и Ф(п) функции, описывающие огибающие амплитуд импульсов на выходе АР соответственно при Q -> со и к = 1. Функция Ф(п) характеризует ограниченность полосы пропускания реального простого РП аналог-аналог. В общем случае Ф(п) находится как уравнение огибающей функции R(t)=Ap(t)/Au(t).

Анализ выражения (4) показывает на неравноценный вклад в результирующую погрешность у_Р огибающих М(п) и Ф(п). Так поведение функции Ф(п) при Q>4() и п<10 допускает Ф(п)=1 с погрешностью менее 0,1%. В

то же время поведение функции М(п) при тех же условиях и различных к<1, такую возможность полностью исключает и, следовательно, выражение (4) приводится к виду yp=l-kⁿ(5). Полагая к=ко(1+б) (5*), где б - относительная нестабильность коэффициента передачи БЗ амплитудного рецир-кулятора, обусловленная отличием текущего значения к от своего номинального значения ко (носит мультипликативный характер), выражение (5) можно представить как у_р=6м +ц (6), где 6_M=-koⁿnS - относительная мультипликативная погрешность, а u=l-koⁿ - погрешность преобразования, обусловленная конечным значением к< 1, имеет доминирующий характер в выражении (6). Рассматривается способ уменьшения у_р, при сохранении неизменным времени запоминания tj, за счет коррекции амплитуд пыходно-го сигнала Ux*(t**-tp) по закону, обратному огибающей М(п). Выражение (5) в этом случае принимает вид у_р„= 1 -k"f3„, где р„= 1 /ко" коэффициент усиления корректирующего усилителя. Считая p_n={Jon(l +5р)+Др, 8_Р - относительная нестабильность коэффициента усиления КУ, обусловленная отличием текущего значения Р„ от своего номинального значения р_оп имеет мультипликативный характер; Др - аддитивная погрешность, обусловленная дрейфом нуля КУ и выполняя условие настройки р₀п= 1 /ко" р,,=(1+5р)/ко^п+Др. Тогда 7_рм=5_м+5_д (7), где 5_M=-(S|j+n55p+n8) и 8_Д=-ко"Др(1+п5) « -ко^пДр представляют соответственно результирующую относительную мультипликативную и аддитивную погрешности. Из сравнения выражений (6) и (7) следует, что составляющая результирующей погрешности, обусловленная конечным значением к в этом случае устраняется и численное значение у_рм следует ожидать в пределах 10"³. Однако и в этом случае^рремя запоминания остается прежним и определяется выражением t3=nt_p,Tflen<10.

Для создания ДЗУ с большим временем запоминания (п»10) и М(п)=1 предлагается осуществлять процесс рециркуляции запоминаемого сигнала не в аналоговой форме, а предварительно преобразовав в широт-. но-импульсные цифровые (стандартной амплитуды U_c) сигналы на каждом *из N уровней его амплитудного значения, то есть осуществлять многоуровневое широтно-импульсное квантование, с вырабатыванием на каждом из N уровней квантования импульсных сигналов U_c(txt), где t_Xi- длительность импульсов Ux(tx) на соответствующем из me(l;N] уровней квантования [47]. Далее, в зависимости от вида задержанной обратной связи (ЗОС), которая может быть местной или общей, осуществлять, в случае местной ЗОС, одновременно процесс рециркуляции каждого из импульсных сигналов Uc(txi) в соответствующем ему временном рециркуляторе (ВР) (число, которых равно N) и суммирования рециркулирующих сигналов Uc(txi) на N - входовом сумматоре Рис. 2. На выходе N - входового сумматора будет вырабатываться с периодом t_p синтезированный сигнал Ux'(tx* -t_P), имеющий ступенчато-ломанный вид с амплитудным значением ступени (шага квантования ) U_3T= Utm/N , где Umx -наибольшее амплитудное значение преобразуемого сигнала U_x(tx).

Ux(bc)_t Г

и

лз

ВР,

_{bL._LJ}

BP_N j Пуск

Выход

Рис.2

Технически операция многоуровневого широтно-импульсного квантования осуществляется в параллельном наборе компараторов НК, а источник образцового напряжения ИОН задает уровни квантования UjTro(m=l,2,3,...,N) с шагом и_эт. Широтно-импульсные сигналы U_c(t_Xi), выбираемые на каждом из N уровней квантования, вводятся в соответствующие временные рециркуляторы BPi+BPn состоящие из логических элементов ИЛИ, И и линии задержки ЛЗ. Периоды рециркуляции BPj+BPn должны быТЬ раВНЫ МеЖДУ СОбОЙ tp|=tp2=...=tpn=tp.

Если U_c выходное напряжение компаратора и временных рециркуля-торов BPi+BPn в каждом из каналов преобразования, то условие настройки, будет выглядеть как pm^Uirm/Uc, где рт- коэффициент передачи сумматора по каждому из m - входов. Заметим, что варьируя р_т можно осуществлять операцию масштабирования запоминаемого сигнала.

Условием сохранения неизменным амплитудного масштаба запоминаемого сигнала является выполнение равенства Pm=lb-m/Uc, а масштабирования в сторону увеличения или уменьшения выполнение неравенства

СООТеТСТВеННО pm>U₃Tm/Uc ИЛИ pm

В случае общей ЗОС импульсные сигналы Uc(t*i) непосредственно, минуя процесс запоминания BPi+BPn, суммируются в N - входовом сумматоре (Рис. 3), образуя синтезированный сигнал 1Л*(¹*' -t_p), который, после задержки на время t_P в блоке задержки БЗ, вновь подвергается многоуровневому квантованию на N уровнях квантования [50,60].

Выход

Пуск

Рис. 3.

Указанный процесс происходит в каждой из п рециркуляции. Условие настройки в этом случае должно иметь вид p_m>Ujrm/kUc. С целью анализа погрешности и времени запоминания РП аналог-аналог с широтно-импульсным представлением запоминаемого сигнала (в дальнейшем сложных РП аналог-аналог), каждый из временных рециркуляторов сложных РП с местной ЗОС и каждый из каналов и БЗ сложных АР с общей ЗОС представлены топологической моделью Рис. 4. В отличии от простых РП аналог-аналог в этом случае вводится логический элемент ЛЭ с длительностью фронта выходного импульса t, и переходной характеристикой, имеющей ступенчатый вид.

Вход

Выход

Рис.4.

Тогда полагая в выражении (4) М(п)=1, результирующая относительная погрешность запоминания сложных РП аналог-аналогус_Р=1-Ф(п).

Поведение функции Ф(п) при различных значениях Qcp, где Qcp=tp/t₃ - добротность сложных РП аналог-аналог показывает, что при п<т/Ь Ф(п)=і с погрешностью менее 0,01%. Из анализа отношения x/U следует, что численное значение п достигает несколько сотен. То есть время запоминания сложных РП аналог-аналог по сравнению с простыми увеличивается в десятки раз, при сохранении неизменной точности запоминания.

III. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГ-КОД АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

В основу рециркуляционных методов и средств преобразования аналог-код амплитудных параметров МИЭС положены простой или регрессирующий характеры рециркуляции и цифровая регистрация, посредством преобразования напряжение-код, в каждой из регистрации амплитудного значения преобразуемого моиоимпульсного электрического сигнала [2]. В первом случае рециркуляционные преобразователи представляют собой преобразователи напряжение-код с простым, а во втором - с регрессирующим характерами рециркуляции. Простой характер рециркуляции реализуется на основе простого амплитудного рециркулятора Рис. 1, а регрессирующий - вводом в его состав вычитающего элемента, включенного между выходом суммирующего элемента и входом блока задержки. На второй вход вычитающего элемента подается образцовое напряжение, определяемое дискретностью преобразования исходя из конкретного схемного решения цифрового регистратора (ЦР).

Для оценки точности, быстродействия и объема аппаратурных затрат проведен сравнительный анализ следующих вариантов РП напряжение-код с простым характером рециркуляции: с одним компаратором; с малоразрядным преобразователем напряжение-код (ПНК); малоразрядными ПНК и преобразователем код-напряжение (ПКН) в составе ЦР; поразрядной оценкой ЦР каждой из рециркуляции [2,46].

Одновременно проведен сравнительный анализ характеристик и различных вариантов РП напряжение-код с регрессирующим характером рециркуляции: 1) с одним компаратором; 2) преобразователем код - напряжение; (h>l) вычитающими элементами и компараторами; 3) (h>l) вычитающими элементами и малоразрядными ПНК; 4) с одним малоразрядным ПНК в составе ЦР; 5) поразрядной и параллельно-последовательной оценкой ЦР каждой из рециркуляции [2, 3-5].

Выявлены наиболее перспективные по точности, быстродействию и объему аппаратурных затрат структуры РП напряжение-код: с простым характером рециркуляции это структура с малоразрядными ПНК и ПКН в составе цифрового регистратора; с регрессирующим характером рециркуляции - структура РП с одним малоразрядным ПНК в составе ЦР. Использование в составе ЦР малоразрядного ПНК позволяет в каждой из рециркуляции определять несколько разрядов выходного кода при ограниченном числе рециркуляции (п<5).

Впервые проведен сравнительный анализ по точности РП с простым и регрессирующим характером рециркуляции. Полагая коэффициент передачи к амплитудного рециркулятора описывается выражением (5*) и допуская ко—>1, доказывается, что частная составляющая результирующей погрешности РП напряжение-код с простым характером рециркуляции, обусловленная конечным значением к и его нестабильностью у⁺->-б⁺м->п8,

а частная погрешность РП с регрессирующим характером рециркуляции у--»8-_м-»{п/(п+1)}5. Здесь 5⁺м и 8-_м - относительная мультипликативная погрешность РП напряжение-код соответственно с простым и регрессирующим характерами рециркуляции, обусловленные нестабильностью значения ко. Таким образом доказывается, что у⁺>у. При обеспечении условия ko-И рециркуляционные преобразователи напряжение-код с регрессирующим характером рециркуляции по сравнению с РП с простым характером рециркуляции имеют меньшее в (п+1) раз значение частной составляющей результирующей погрешности преобразования. Таким образом, путь дальнейшего развития и совершенствования РП с простым характером рециркуляции является тупиковым и от него следует отказаться [3, 64]. Проведенные исследования в направлении развития и совершенствования РП напряжение-код с регрессирующим характером рециркуляции выявили в них возможность компенсации частной составляющей результирующей погрешности, обусловленной коэффициентом передачи амплитудного рециркулятора. Рассматривается способ в котором при сохранении неизменным числа рециркуляции условие ко=1 обеспечивается изме-. нением по мере рециркуляции значения образцового напряжения на весовой коэффициент р"-', причем, необходимо выполнение условия настройки ро=ко, где Ро - номинальное значение весового коэффициента р [45]. На Рис. 5 приведена функциональная схема способа. В процессе рециркуляции и, соответственно, заполнения счетчика СТ импульсами, поступающими от сравнивающего устройства СУ, источник ИОН вырабатывает образцовые напряжения значениями pⁿ-'U₃T. Определение значения р и его фиксацию в весовой матрице ИОН осуществляется в процессе настройки.

Ux(t)

СУ

ИОН *

СТ

Рис.5.

Так как функция преобразования способа имеет вид kⁿ-^|(U_x-nU,T)=Pⁿ"^lU₃T, его частная составляющая результирующей погрешности определяется как Тс"=1-( kⁿ-'/Pⁿ"')- Если Р=Ро(1+6р), где 8$ - относительная нестабильность весовой матрицы ИОН, а значение к описывается выражением ( 5* ) и выполняется условие настройки ро=ко у_с'=[(п-1)(8р- 5)]/[1+(п-1)5р], то составляющая результирующей погрешности, обусловленная конечным значением коэффициента передачи амплитудного рециркулятора, в рассмотренном способе при сохранении неиз-

менным числа рециркуляции устраняется [32]. Когда обеспечено практически вполне достижимое условие 6р=5, следует ожидать значение у_с=0. Таким образом устраняется частная составляющая результирующей погрешности, обусловленная конечным значением к и его нестабильностью.

Исследована возможность применения рассмотренного способа в РП напряжение-код с регрессирующим характером рециркуляции. Установлено, что его использование во всех их разновидностях ведет к уменьшению результирующей погрешности, не влечет за собой увеличения объема аппаратурных затрат и требует только изменения алгоритма работы источника образцового напряжения [3].

Рассмотренное многообразие рециркуляционных преобразователей напряжение-код с регрессирующим характером рециркуляции и с устранением частной результирующей погрешности затрудняет выбор структуры, удовлетворяющей требованиям конкретного технического задания. Для решения этой задачи автором разработана методика выбора структурной схемы преобразователя и определения основных параметров амплитудного рециркулятора и цифрового регистратора, обусловленная требуемой точностью преобразования.

IV. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГ-КОД ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ.

Рециркуляционные методы и средства преобразования время-код МИЭС основаны на регрессирующем характере рециркуляции, при котором в каждой из рециркуляции преобразуемый ВИ заданный длительностью t_x цифрового импульсного сигнала уменьшается на образцовое значение т длительности [51]. На рис, 6 приводится функциональная схема преобразователя.

t_x I 1

Рис.6

Линия задержки ЛЗі является источником образцового ВИ длительностью т; линия задержки ЛЗ2 с временем задержки Ь определяет период

рециркуляции ВР ti₍=t3 + t. Для обеспечения временного диапазона преобразования НеобхОДИМО, ЧТОбы U > t_x max, ГДЄ t_x mm НаибоЛЬШЄЄ ЗНаЧЄНИЄ

длительности преобразуемого ВИ. Функция преобразования РП время-код
(РПВК) имеет вид t_x - niT=tp, где разрешающая способность преобразова
теля tp=tu+tiHiH+tcr (t_u, t,_Uin, tcr - время задержки соответственно логических
элементов И и ИЛИ и первого каскада счетчика импульсов СТ, m - число
рециркуляции, подсчитанное СТ с момента ввода моноимпульсного сигна
ла U(U) в ВР и до момента окончания процесса рециркуляции. Значение n_t
описывается m разрядами выходного кода СТ и имеет область изменения
пі е[ 1; Ni] (Nt=txm;ix/x), а значение t_p ограничивает снизу временной диапа
зон преобразуемого ВИ, ТО ССТЬ tx mm s t_P (tx mi» - наименьшее значение дли
тельности преобразуемого ВИ). Учитывая, что х=хо(1 +б,)+Дх, t_p=t₀p(l+6[),
где 6_t и 6_t - соответственно относительная нестабильность образцового
ВИ ( нестабильность значения дискретности преобразования) и времени
переключения логических элементов ВР, обусловленных отличием текущих
значений т и t_P от своих номинальных значений х₀ и t_op, носят мультиплика
тивный характер, а абсолютная погрешность калибровки значения образ
цового ВИ Дт, имеет аддитивный характер, нетрудно определить значения
результирующей абсолютной погрешности преобразования

Ax=(niTo6T+tg_P6t)+n_tAT+To. Значение t_op представляет собой системати
ческую погрешность РП время-код регрессирующего типа и носит отрица
тельный и постоянный характер. Определяется систематическая погреш
ность в процессе настройки как t_op=Ni*xo, где Ni* - цифровой результат
преобразования значения t_op. Тогда значение результирующей относитель
ной ПОГреШНОСТИ би=бм+бд+Ц(, где 6_M=(nt6_T+N|*6t)/(nt+Nl*),

6_d=(ntAx)/(n_t+Ni*)xo - значение относительной соответственно мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования, a ut=l/(n_t+Ni*) -значение относительной погрешности дискретизации (методической погрешности).

При Tomin>to_P6t предельно достижимая минимальная величина дискретности преобразования (предельная величина абсолютной методической погрешности), выражение для бм можно представить в следующем виде

( (бі+бі)/2, При 1х-Ихтщ(ИЛИ nt=Ni*)

бм= \

l6_t+6t(Ni7n_t),npHt_x->t (илип₍»Ы|*) В случае xo>t_op для всех t_xe[ txmin^-, Umax] б_м= 6_t. Таким образом, значение относительной мультипликативной погрешности при xomm0p определяется нестабильностями образцового ВИ и времени переключения логических элементов преобразователя, а при то» t_op только нестабильностью образцового ВИ. При xomm

разуемого ВИ t_x=(ni+N]*)to=N-co, N - суммарный код СТ, зафиксированный по окончании процесса преобразования. При то> top tx=n_tto.

Численная оценка предельного значения 6t с учетом доминирующего характера значения б_м (б_м> б_д) и 6t=10-³, б^КИ показывает, что значение результирующей относительной погрешности РП аналог-код временных параметров следует ожидать в пределах КИ-йО"⁴.

«t,

Пі,

2-м ступень

Рис.7 В проведенных исследованиях впервые показано, что РП время-код делятся на две группы: первая - объединяет простые (рассмотренные выше); вторая - многоступенчатые РП время-код (рис. 7), в которых весь процесс рециркуляционного преобразования разбивается на h - ступеней, в каждой из которых определяется группа из mi>(i=l,2,3,..., h) разрядов выходного кода m [1,3]. В ходе первой ступени преобразования определяется самая старшая группа разрядов mi, а в ходе последней h - ой -самая младшая группа разрядов mh выходного кода. Одновременно в каждой из ступеней, за исключением последней h-ой, кроме определения цифрового результата преобразования п», описываемого т разрядами выходного кода, определяется и величина At_Si=At_Xi-i - питі, где At_Xi-1 -длительность ВИ, подвергающаяся преобразованию в данной ступени; ъ - дискретность преобразования данной ступени, a At_Xi

Аналитически показывается, что результирующая относительная погрешность преобразования многоступенчатых РПВК 6txh=6tx, а для достижения минимального времени преобразования при toh>t₀ph необходимо число разрядов выходного кода m распределять равномерно между ступенями преобразования, число которых должно быть h=m/2 и в каждой из

ступеней Определять ПО Два разряда ВЫХОДНОГО КОДа. В Случае T0min

число разрядов h-ой ступени определяется как mh>log2t₀ph/toh^-, число разрядов (т-тн) равномерно распределяется между оставшимися h-l=(m- ть)/2 и в каждой из (h-І) ступеней определяется по два разряда выходного кода m [1,57].

На основе анализа работы последней h-ой ступени преобразования выводится условие компенсации систематической погрешности многоступенчатых РПВК, ИМеЮЩИХ ДИСКреТНОСТЬ Преобразования T0min

Многоступенчатый алгоритм РПВК аппаратурно реализуется по многокаскадной и многотактной схеме. Первые выполняются в виде h последовательно соединенных однотипных (кроме последнего h - го, который выполняется по схеме простого РПВК) каскадов, а вторые в виде одного (или двух, в зависимости от ті,) каскада, объем аппаратуры которого используется многократно и последовательно во времени h раз (или h - 1 раз объем аппаратуры первого каскада и один раз объем аппаратуры второго каскада).

Впервые предложены и проанализированы по точности и быстродействию три способа повышения быстродействия простых РП время-код. Сущность первого состоит в параллельной обработке ВИ каждой из рециркуляции [1,21]. То есть используется набор из образцовых ВИ, длительность которых определяется как At_n=m, где n=I,2,3,...,rj - порядковый номер и, одновременно, вес образцового ВИ. Этот способ позволяет повысить быстродействие простых РПВК в (ті+2)раз. Вместе с тем параллельные РП время-код по сравнению с простыми обладают в (г\+\) раз большим значением относительной мультипликативной и аддитивной погрешностями, а, следовательно, и значением результирующей относительной погрешности. Определены условия выбора числа г\ образцовых ВИ, для упрощения аппаратурной реализации операции суммирования числа рециркуляции с цифровым результатом параллельной обработки величины txi й r\x (i=l,2,3,...,p -порядковый номер рециркуляции) необходимо, чтобы rj=p=2^m/2-l, где т- число разрядов выходного кода РПВК.

Сущность второго способа (с переменным периодом рециркуляции), состоит в том, что в каждой из рециркуляции осуществляется и уменьшение периода рециркуляции на образцовое значение длительности [1,2,42-43]. Второй способ обеспечивает повышение быстродействия простых РПВК в 2^m+l/(2^m+2) раза. Дальнейшее повышение быстродействия достигается комбинированием первых двух способов, что обеспечивает выигрыш в быстродействии в 2^га+|/(2^тст+2) раз (где т_п - число разрядов выходного кода счетчика импульсов СТ простых РПВК с комбинированным способом повышения быстродействия).

С целью значительного снижения объема аппаратурных затрат РПВК с переменным периодом рециркуляции или комбинированных, общее число рециркуляции Ni (и мирном случае) пли р (но нтором) необходимо p;ic-

_;. пределять по к группам, с числом рециркуляции в каждой группе Ent[Nt/k]

' или Ent[p/k]. Символ [...] обозначает целую часть числа.

На основе анализа процесса рециркуляции в комбинированных РПВК

выведено обобщенное уравнение, позволяющее определять время преобразования любого из рассмотренных выше способов повышения быстродействия простых РПВК [51]. Способы повышения быстродействия простых РП время-код являются перспективным направлением дальнейшего повышения быстродействия и многоступенчатых РП время-код.

В рассмотренных выше простых и многоступенчатых РПВК процесс рециркуляции носит регрессирующий характер, при котором в каждой из

рециркуляции значение txe[txmin;txmax] уменьшается на образцовое значение т. Однако, рециркуляционный процесс РП может носить и прогрессирующий характер, при котором в каждой из рециркуляции значение и увеличивается на значение т. При этом прогрессирующий характер рециркуляции прекращается как только t*+nrt=t3 , где t3>t_Xmax длительность рециркуляции. Преобразователи, реализующие прогрессирующий характер рециркуляции, в дальнейшем простые РПВК прогрессирующего типа при Tomin0p имеют меньшее по сравнению с простыми РП регрессирующего типа в q_n>l раз значение относительной мультипликативной погрешности, причем

( (бі+б,)/2 б_т, При tx->txmH)(ftHH Jlt=N|*)

q_n= "і

І (Nl'Ali) ( 6t І б_т) + 1, При tx-Hxmax(Hmi ni»Ni *)-

Так как 6t=10-³, б_т=1СИ, то q„S 5,5. Вместе с тем в этом случае значение относительной аддитивной погрешности имеет в (nt+Ni*)/ni>l раз большее значение, чем в случае простых РПВК регрессирующего типа. Одновременно величина абсолютной методической погрешности имеет в txmax 6_t I top 6_t раз большее значение, чем простые РПВК регрессирующего типа, что сдерживает применение простых РПВК прогрессирующего типа для преобразования ВИ в широком (до 1 мксек) временном диапазоне. При txraax->t_op наблюдается обратный эффект - простые РПВК прогрессирующего типа имеют примерно на порядок меньшее значение предельной величины абсолютной методической погрешности, чем простые РПВК регрессирующего типа. Поэтому наиболее целесообразно использовать простые РП прогрессирующего типа для преобразования ВИ длительностью единицы - десятки наносекунд. Это обстоятельство используется для повышения точности преобразования многоступенчатых РПВК, путем выполнения их последней h-ой ступени преобразования на основе простого РПВК прогрессирующего типа.

Определены условия устранения аддитивной составляющей результирующей погрешности РПВК с регрессирующим характером рециркуляции. Техническая реализация которых осуществляется: введением в состав ВР простых, с переменным периодом рециркуляции и многоступенчатых РПВК дополнительной линии задержки с временем задержки тг, а в состав ВР параллельных и комбинированных РПВК дополнительной многоотводной линии задержки МЛЗ, число отводов которой равно числу отводов основной МЛЗ и дискретностью задержки хг между отводами , тг-ті=т, где ті - дискретность задержки основной МЛЗ (или основной ЛЗ); выполнением всех линий задержки на одной элементной базе и калибровки их времени задержки одним и те же измерительным устройством [1,25].

Сравнительный анализ простых и многоступенчатых РПВК показывает, что последние обеспечивают минимально-достижимое время преоб-

разоваиия T_mm=4t_xmax; превосходят в 10-ьЮО раз по быстродействию известные в настоящее время способы повышения быстродействия простых РП; значение результирующей относительной погрешности не зависит от числа ступеней преобразования и равно значению результирующей относительной погрешности преобразования простых РПВК регрессирующего типа; предельно достижимое значение дискретности преобразования имеет то же значение, что и простые РПВК регрессирующего типа и при современном уровне развития отечественных цифровых интегральных схем достигает значений в десятки пикосекунд; по сравнению с простыми РПВК имеют больший в (2h-l) раз объем аппаратурных затрат.

V. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОД-АНАЛОГ

В основу рециркуляционных методов и средств преобразования код-аналог (код-время) положен прогрессирующий характер рециркуляции. Сущность метода заключается в последовательном расширении ( увеличении) в каждой из рециркуляции на образцовое значение длительности т исходного одиночного импульса образцовой длительности t_u [48,56]. Указанный процесс продолжается до тех пор, пока число рециркуляции n_t во временном рециркуляторе (ВР) не станет равным значению преобразуемого кода (п_х). Момент n_t=n_s фиксируется, а из ВР выводится импульс, длительность которого tx с дискретностью т определяет цифровой результат РПКВ. Для рециркуляционных методов и средств преобразования код-время характерной и важной особенностью является обеспечение точной временной привязки к сигналу, относительно которого выдается результат преобразования код-время.

ЛЗ,

Пх

&

ЛЗ,

и

.J

_Ы

ИОД Запуск

, — .^.,

^{le^j}

Уст. О

Рис.8

На рис. 8 приводится функциональная схема простых РПКВ. Временной рециркулятор здесь образован логическими элементами И|, ИЛИ, линиями задержки ЛЗі и ЛЗг с временем задержки соответственно т и.Ъ и управляется RS - триггером; ИОД - источник одиночного ВИ образцовой длительности t_u; СЧБ - счетный блок, в котором осуществляется фиксация значения преобразуемого кода п_х, подсчет числа рециркуляции щ и определение момента времени п₍=Пх. Процесс рециркуляции в ВР начинается с момента ввода в него моноимпульсного сигнала образцовой длительности t_u. Этот импульс в каждой из рециркуляции расширяют на образцовое значение т. Указанный процесс продолжается, пока число рециркуляции n_t не станет равным значению п*, описываемого m разрядами позиционного двоичного кода. При п₍=Пх из ВР выводится импульс, длительность которого t_x является результатом преобразования код-время.

Функция преобразования простых РПКВ, в дальнейшем - простых РПКВ прогрессирующего типа, имеет вид tx=t_u+(n_x-l)T, здесь t„=tp+T(t_p=tu+t,wH+ t_CT; t_u, t_M„, tcr - время задержки соответственно элементов И, ИЛИ и первого каскада СЧБ). Полагая t_u= tou(l+ б_и)+ Д_и; т=-со(1+б_т)+Дт, где 6_U - относительная нестабильность ИОД, обусловленная отличием текущего значения t_u от своего номинального значения t_ou, носит мультипликативный характер; Д„ - абсолютная погрешность калибровки (установки) образцового значения длительности t_u, имеет аддитивный характер. А также выполняя источники одиночных ВИ длительностью t_u и т на одной и той же элементной базе (кабелях задержки) и осуществляя калибровку их значений одним и тем же измерительным устройством, то есть обеспечивая условия 6_u=6_t, а Ди^Дт результирующую относительную погрешность преобразования простых РПКВ прогрессирующего типа можно представить в виде 6t,=6_M+6₄ , здесь б_м= б_т, а б_д=ПхДт/ t_x* (t_x*=(n_x-l)to+tou) представляют значения относительной соответственно мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования. При различных соотношениях то и top выражение для б_д представляется как: в случае ю> t_op(

tou «ТО) бд=Дт/"Со; В СЛучае TOmin

ГДт/top, припх-»1

б_д= {

\. Дт/ю, при Пх~» Nx, - ГДЄ Nx=2^m-1. В ТО ВреМЯ, Как ПрИ ЛЮбЫХ To(TO>top ИЛИ TOmin_и=б,.

Таким образом значение относительной мультипликативной погрешности рассмотренных РПКВ определяется только нестабильностью образцового ВИ длительностью т. Проведенная численная оценка показывает, что предельное значение 6t_x = 10-⁴.

Рассматривается способ повышения быстродействия простых РПКВ в два раза, названный автором рециркуляционным способом преобразова-

ния код-время с переменным периодом рециркуляции. Способ заключается в том, что одновременно с увеличением в каждой из рециркуляции одиночного импульса t_u на образцовое значение т, осуществляется и увеличение периода рециркуляции на значение х (при то> top) или t_p+x (при Tominop) [48]. РПКВ с переменным периодом рециркуляции имеют ту же погрешность преобразования, что и простые.

Значительное повышение быстродействия простых РПКВ прогрессирующего типа открывает ступенчатая организация рециркуляционного преобразования, при котором весь процесс РП разбивается на две ступени, в каждой из которых преобразуется группа в общем случае из m,(i=l,2) разрядов преобразуемого кода п_х. В ходе первой ступени преобразовывается старшая группа разрядов пц, описывающая значение n_x'e[l ;2^m,-l], а в ходе второй - младшая группа разрядов Ш2, описывающая значения гіх"є[1;2^гоМ] преобразуемого кода п« [52,58,62]. Значения п_х' и п" должны удовлетворять условию n*'(Nx"+l)+ п»"= Пх'Фпх"= Пх, где символ обозначает прямое суммирование.

Аппаратурно первая ступень реализуется на основе простого РПКВ прогрессирующего типа, а вторая, в первом случае, на основе также простого РПКВ, а во-втором - на основе другого, не обязательно рециркуляционного, преобразователя код-время. В первом случае ступенчатые РПКВ называются двухкаскадными [62], а во_втором - комбинированными [52]. В работе рассматриваются отдельно каждый~из~этих-видов-ступенчатых РПКВ. Отмечается, что еще большее быстродействие обеспечивается за~ счет осуществления переменного периода рециркуляции в обоих ступенях в случае двухкаскадных [58,62] или в первой ступени в случае комбинированных. Выигрыш во времени преобразования двухкаскадных и комбинированных РПКВ по сравнению с простыми соответственно равен VNJ2 и VN„ а с переменным периодом рециркуляции - VNx /4 и VNx 12. Таким образом наибольшее быстродействие обеспечивается в комбинированных РПКВ с переменным периодом рециркуляции. Значения результирующих относительных погрешностей преобразования простых би, двухкаскадных 6t_g и комбинированных 6t_AK РПКВ связаны между собой неравенством 6t>6tx>6tjg. Следовательно, наименьшим значением результирующей погрешностью обладают двухкаскадные РПКВ. Вместе с тем выводятся условия устранения аддитивной составляющей результирующей погрешности простых, простых с переменным периодом рециркуляции и ступенчатых РПКВ [1]. Технически это обеспечивается: введением в состав источников одиночных ВИ образцовых длительностей и временных рецир-куляторов дополнительных линий задержки; выполнением всех линий задержки (основных и дополнительных) на одной элементной базе (кабелях задержки) и колибровкой их времени задержки одним и тем же измерительным устройством.

Рециркуляционные методы и средства преобразования время-код и код-время выгодно отличаются от других известных методов простотой в аппаратурной реализации и высокими техническими характеристиками:

предельно-достижимое минимальное значение дискретности преобразования Tomin>top6_t определяется только нестабильностью времени переключения используемых ЦИС и достигает на сегодняшний день значения в десятки пикосекунд; относительная погрешность (10-³-*-l(H); выполняются на ЦИС без использования устройств аналоговой техники, что существенно уменьшает временные затраты на настройку преобразователей и увеличивает их надежность; достижение дискретности преобразования менее Інсек достигается выбором геометрической длины радиочастотных кабелей (коаксиальных или спиральных), используемых в качестве линий задержки во временных рециркуляторах.

VI. ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРЕМЯ-КОД И КОД-ВРЕМЯ.

Рассмотрены возможности использования принципа рециркуляции для создания кодоуправляемых источников временной задержки: простых и двухступенчатых рециркуляционных преобразователей код-задержка (РПКЗ); кодоуправляемых генераторов одинарных, парных и пачки цифровых импульсных последовательностей (ЦИП); кодоуправляемых источников образцовых временных интервалов-одновибраторов [1].

В основу РП код-задержка (РПКЗ) положен простой характер рециркуляции. Во временной рециркулятор Рис. 9 вводится цифровой импульсный сигнал длительностью U и осуществляется его рециркуляция с периодом Тз, Причем Тз > txmax, ГДЄ Umm - НаибОЛЬШЄЄ ЗНаЧЄНИЄ ДЛИТеЛЬНОСТИ ИМ-

пульсного сигнала, подлежащего временной задержки. Как только число рециркуляции n_t станет равным кодовому значению временной'задержки п_х, процесс рециркуляции прекращается и из рециркулятора выводится" задержанный на время t_3M=nxT3 импульс длительностью tx.

лз,

Г ^и1

& и₂

Рис.9 Минимальное значение дискретности преобразования простых РПКЗ t3 > txmax, что ограничивает область их применения. Показывается, что двухступенчатые РПКЗ выполняемые на основе простого РПКЗ в качестве первой ступени преобразования и на основе многоотводной линии задержки и селектора-мультиплексера в качестве второй, в отличии от простых,

обеспечивают дискретность задержки ъ 5 txmax, но вместе с тем имеют и более высокое значение результирующей погрешности.

Предложены и исследованы рециркуляционные кодоуправляемые генераторы (РКГ) одинарных, парных и пачки ЦИП; рециркуляционные кодоуправляемые одновибраторы. Так РКГ одинарных ЦИП Рис. 10, генерирует ЦИфрОВЫе ИМПуЛЬСНЫе ПОСЛеДОВаТеЛЬНОСТИ /(t)=/(t+Tirr) с кодо-

управляемьш периодом T_m=2(t_M+tnT), где Ц, и tOT=n_Tx₃ время задержки соответственно селектора-мультиплексера MS и того отвода линии задержки ЛЗ, который соответствует значению кода п_г, причем область изменения n_Te[l-fN_T], а минимальное значение периода генерации Tn_T>2t_M.

_7&

ф

_jl.-t₃)

_I}-.

_{» т}

Рис. 10

Рис. 11

РКГ парных ЦИП, вырабатывают двецифровые-импульсные последовательности Рис. Л, одна из которых основная /(t), а вторая /(ЧП^^за--держанная относительно основной на время, задаваемое значением кода п₅ как U =tM+n₃T3 ( т₅ - дискретность задержки между отводами ЛЗ). Время задержки (N₃ +1)-го отвода т_т=( N₃ +1)т₃ определяет период колебаний парных цифровых импульсных последовательностей как T=2(t_u+T_T), t_u - время задержки элемента И-НЕ. В РКГ парных цифровых импульсных последовательностей нетрудно осуществить кодоуправление периода колебаний Т=Тпт, аппаратурно это достигается введением в состав РКГ Рис. 10 дополнительного селектора-мультиплексера с числом информационных входов равным N_T. В этом случае основная импульсная последовательность имеет вид/(t)=/(t+T_nT), а задержанная /(t-1,)= f((i-U)+T_m).

Рециркуляционные кодоуправляемые генераторы пачки ЦИП позволяют вырабатывать несколько (пачку) цифровых импульсных сигналов с некоторым наперед заданным их числом в пачке и значением периода генерации Тпт и содержат в отличие от РКГ одинарных ЦИП, счетный блок, в котором осуществляется фиксация требуемого числа импульсов п_п в пачке, подсчет числа периодов генерации гц и определение момента времени nt= п_п. В момент равенства процесс рециркуляции прекращается и на выходе вырабатывается пачка /_n(t) из п_п цифровых импульсных сигналов с периодом Т_пт.

Рециркуляционные кодоуправляемые одновибраторы (РКО) форми-. руют импульсы образцовой длительности t_g=n_gT3 (n_g- кодовое значение

длительности формируемого импульса) и основаны на РКГ одинарных ЦИП с введением в его состав запускающего триггера.

Установлено, что для уменьшения результирующей погрешности- необходимо, чтобы в РКГ число возможных значении периода колебании, времени задержки задерживаемой последовательности, а в РКО - длительности не превышало десяти градации.

Исследован рециркуляционный преобразователь время задержки-код таких радиоэлементов, как кабели задержки, линии связи, последовательная цепь из нескольких цифровых интегральных схем [1,31]. Выведены аналитические выражения, описывающие значения результирующей погрешности преобразования. Одни из путей полного устранения аддитивной составляющей результирующей погрешности РП время задержки-код заключается во введении дополнительных линий задержки в состав рециркуля-тора и источника образцовой длительности [1].

Аналитически исследован РПВК временных параметров цифровых импульсных схем. Выявлено, что его результирующая погрешность преобразования определяется нестабильностью и погрешностью калибровки рециркуляционных генераторов.

Для всех случаев РП время-код и код-время выведены аналитические выражения, описывающие условия выбора меры длины кабеля задержки.

Похожие диссертации на Методы и средства рециркуляционного преобразования аналог-аналог, аналог-код и код-аналог

Разработка методов и средств преобразования сигналов с использованием единичных функцийМаркова, Екатерина Владимировна

Разработка и исследование методов и средств прямого преобразования мгновенного значения напряжения в код Палубабкин Юрий Викторович

Методы и средства функционального преобразования для универсальных цифровых измерительных приборов и систем Якушев Владимир Семенович

Методы и средства автоматической нормализации функций преобразования и коррекции температурных погрешностей тензорезисторных датчиков и нормирующих преобразователейИсаков, Сергей Алексеевич

Методы и средства повышения помехоустойчивости время-импульсного преобразования Матвиив Василий Иванович

Методы и средства для измерения времени установления ЦАПМаньжов, Борис Николаевич

Разработка и исследование адаптивных методов и средств для определения магнитных свойств ферромагнитных материалов Ефименко Виктор Михайлович

Исследование и разработка методов и средств контроля промышленных сред гидрометаллургических процессов Шаповалов Виктор Григорьевич

Разработка методов и средств измерений для исследования параметров источников магнитных полей ЯМР-томографовГаджиев Шафаят Халил оглы

Методы и средства измерения комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материаловДмитриенко, Герман Вячеславович